Заземление

Начнём с терминологии, приведённой в главе 1.7. в ПУЭ:

Заземление ― это преднамеренное электрическое соединение электроустановки или её части с заземляющим устройством.

Заземляющее устройство (далее ЗУ, заземление) ― это совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземлитель ― это проводник (электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.

Искусственный заземлитель ― заземлитель, специально выполняемый для целей заземления.

Естественный заземлитель ― сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемая для целей заземления.

Заземление является одной из важных защитных мер, применяемых для предотвращения случаев электротравматизма и выхода из строя электрооборудования при повреждении изоляции, грозовых перенапряжениях и других аварийных режимах работы.

Рабочее (технологическое) заземление ― это соединение элементов токоведущих частей электроустановки с ЗУ, выполняемое для обеспечения её технологического функционирования.

В процессе эксплуатации заземления периодически необходимо проверять состояние ЗУ в соответствии с требованиями ПУЭ, ПТЭЭП и других нормативных документов.

Удельное сопротивление грунта

Вид верхнего слоя земли (суглинок, чернозём, глина и т.п.) оказывает основное влияние на сопротивление заземления. Чем меньше удельное сопротивление грунта, тем проще добиться требуемых величин сопротивления растеканию тока в земле у монтируемого контура заземления.

Средние значения удельного сопротивления грунта сведены в таблицы и могут быть взяты из справочника. Точную величину, при необходимости, измеряют непосредственно на месте монтажа заземления по специальным методикам измерений.

Также на этот параметр значительное влияние оказывают влажность почвы и температура. Чем выше влажность почвы, тем ниже её удельное сопротивление. Поэтому вертикальные заземлители необходимо устанавливать на достаточно большой глубине, чтобы обеспечить контакт с грунтовыми водами. С понижением температуры грунта его удельное сопротивление увеличивается.

Также весьма существенное влияние на величину сопротивления заземления оказывает его конфигурация: сечение и форма (уголок, труба, пруток), материал из которого изготовлены вертикальные и горизонтальные электроды, их общее количество, длина, глубина заложения.

Периодичность проверки контура заземления

Проверки контура заземления бывают:

  • приёмо-сдаточные;
  • эксплуатационные(периодические);
  • внеочередные.

Приёмо-сдаточные или вводные испытания и измерения выполняются сразу после окончания монтажных работ по устройству заземляющих устройств для сдачи его заказчику.

Результаты проверки вносятся в паспорт заземляющего устройства.

На каждое находящееся в эксплуатации заземляющее устройство должен быть заведён паспорт, содержащий:

  • исполнительную схему устройства с привязками к капитальным сооружениям;
  • указана связь с надземными и подземными коммуникациями и с другими заземляющими устройствами;
  • дату ввода в эксплуатацию;
  • основные параметры заземлителей (материал, профиль, линейные размеры);
  • величину сопротивления растеканию тока заземляющего устройства;
  • удельное сопротивление грунта;
  • данные по напряжению прикосновения (при необходимости);
  • данные по степени коррозии искусственных заземлителей;
  • данные по сопротивлению металлосвязи оборудования с заземляющим устройством;
  • ведомость осмотров и выявленных дефектов;
  • информацию по устранению замечаний и дефектов.

ПТЭЭП, п. 2.7.15

К паспорту должны быть приложены результаты визуальных осмотров, осмотров со вскрытием грунта, протоколы измерения параметров заземляющего устройства, данные о характере ремонтов и изменениях, внесённых в конструкцию устройства.

Далее специализированная организация (электролаборатория), имеющая свидетельство о регистрации в РосТехНадзоре, выполняет визуальный осмотр и измерения сопротивления ЗУ с оформлением протоколов установленной формы. Проверка заземления в полном объёме выполняется не реже 1 раза в 12 лет.

Внеочередные проверки и замеры заземления проводятся в следующих случаях:

  • при внесении изменений в конструкцию заземления;
  • при переносе его на другое место;
  • после работ по ремонту с заменой его отдельных элементов;
  • после восстановления, связанного с разрушениями заземляющего устройства при аварии.

Комплекс работ по проверке и замерам сопротивления заземления включает в себя следующие виды работ:

  • Визуальный осмотр элементов ЗУ с возможным вскрытием грунта в зависимости от типа проверки. Болтовые соединения должны быть надёжно затянуты. Сварные проверяют ударом молотка. Если при выборочном вскрытии грунта обнаружено, что степень коррозии элемента заземления составляет более 50%, то рекомендуется заменить данный элемент. Также при визуальном осмотре заземления определяется вид почвы, в котором выполнено обследуемое заземляющее устройство, степень увлажнённости грунта и степень коррозионного разрушения конструктивных элементов заземления (при периодическом и внеочередном осмотрах);
  • Проверка наличия цепи между заземлёнными установками и элементами заземлённой установки («металлосвязи»). Величина измеренного переходного сопротивления прочих контактов заземляющих и нулевых проводников, элементов электрооборудования должна составлять не более 0,05 Ом. Не должно быть обрывов цепей и неудовлетворительных контактов.
  • Измерение сопротивления заземляющего устройства.

Зачем измеряют сопротивление контура заземления?

Существуют различные методы измерений, например, метод амперметра-вольтметра и др. Для получения достоверных измерений сопротивления заземляющих устройств используют специализированные приборы, такие как Metrel MI 3102H CL, Sonel MRU-101, М416, Ф4103-М1 и т.д. Важным критерием возможности использования для данного вида измерений того или иного прибора является факт внесения его в Государственный реестр средств измерений.

Методики выполнения замеров и руководства по эксплуатации к различным приборам при проверке сопротивления заземляющего устройства предполагают различные схемы подключений измерительных электродов к приборам. Встречаются схемы с 2, 3 и 4 измерительными электродами, а также схема без использования электродов, но с применением токоизмерительных клещей.

Замеры сопротивления заземления с применением токоизмерительных клещей имеет ряд преимуществ:

  • удобство и быстрота, т.к. нет необходимости ввинчивать измерительные электроды непосредственно в грунт, разматывать катушки с проводами;
  • в случае, когда поверхность грунта поверх смонтированного заземляющего устройства полностью заасфальтирована данный метод является единственным для получения необходимой нам искомой величины.

Недостатком измерений с использованием токовых клещей является относительно большая погрешность.

Когда проводить проверку сопротивления заземления?

Рекомендуется выполнять замеры заземления летом во время наибольшего высыхания почвы. При выполнении же измерений в другое время года, мы сталкиваемся с ситуацией, когда вследствие атмосферных осадков грунт пропитывается влагой и измеренное значение получается меньше, чем могло бы быть в рекомендуемых для измерений условиях.

В целях безопасности и соблюдения требований охраны труда запрещено выполнять измерение сопротивления ЗУ во время грозовой активности.

После проведения измерений и получения конкретного измеренного значения выполняется его приведение к конечному расчётному значению. Согласно существующим справочным значениям применяются специальные поправочные коэффициенты, учитывающий сезонность и конфигурацию заземления.

Полученное приведённое значение сравниваем с проектным или нормируемым. В идеале сопротивление заземления должно быть минимальным и стремиться к нулю. Теоретически в таком случае весь потенциал, оказавшийся в аварийном режиме на корпусе электрооборудования, уйдёт в землю. Но на практике величина сопротивления смонтированного ЗУ всегда имеет некоторое значение отличное от нуля.

Требования к величине сопротивления заземления

Приведём ниже основные типы заземлений и их величины, регламентируемые нормативными документами:

  • сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора или выводы источника однофазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений PEN- или PE-проводника ВЛ напряжением до 1 кВ при количестве отходящих линий не менее двух. Сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока (ПУЭ п.1.7.101);
  • общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе естественных) всех повторных заземлений PEN -проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При этом сопротивление растеканию заземлителя каждого из повторных заземлений должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях (ПУЭ п.1.7.101);
  • для заземлителей устройств молниезащиты зданий и сооружений I и II категорий по молниезащите допустимая величина сопротивления ЗУ должна быть не более 10 Ом, а для зданий и сооружений III категорий по молниезащите ― не более 20 Ом (РД 34.21.122-87 п.8);
  • заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью (подстанции 110 кВ и выше) должно иметь в любое время года сопротивление не более 0,5 Ом с учетом сопротивления естественных и искусственных заземлителей (ПУЭ п.1.7.90);
  • ЗУ частного дома, подключённого к сети 220 В/380 В должно быть не более 30 Ом (ПУЭ п.1.7.103);
  • заземление частного дома, подключённого к сети 220 В/380 В, но имеющего газовый котёл должно быть не более 10 Ом (ПУЭ п.1.7.103; для всех повторных заземлений);
  • изготовители специального оборудования могут устанавливать собственные требования к заземлению для подключения своего оборудования, например, изготовители медицинского оборудования (аппараты МРТ, томографы, рентгены) регламентируют, что допустимая величина сопротивления заземления должно быть не более 2 Ом или даже 1 Ом; при подключении телекоммуникационного оборудования сопротивление ЗУ должно быть не более 4 или 2 Ом.

Вышеприведённые нормы относятся к ЗУ в нормальном грунте, т.е. с удельным сопротивлением не более 100 Ом * м. В случае, когда удельное сопротивление грунта будет более 100 Ом * м, проектная организация на основании справочных данных увеличивает максимально допустимое значение сопротивления заземления.

Если полученное значение сопротивления ЗУ превышает, допустимое согласно проекту или документации изготовителя электрооборудования, то необходимо «усилить» само заземляющее устройство; для этого добавляют дополнительные вертикальные электроды или увеличивают длину существующих. Чтобы убедиться в положительном эффекте предпринятых мер следует повторно воспользоваться услугами электроизмерительной лаборатории и провести измерения. Итоговые данные замеров вносятся в протоколы проверки и паспорта заземлений.

Выводы о проверке сопротивления контура заземления

Монтаж заземляющего устройства является защитной мерой направленной на снижение электротравматизма, уменьшению ущерба в случае наступления аварийного режима работы, в том числе перенапряжения, вызванного ударом молнии.

Проверка контура заземляющего устройства и замер его сопротивления являются неотъемлемой частью комплекса испытаний электроустановки при сдаче нового объекта и в дальнейшем на этапе эксплуатации. Измерения позволяют определить, удовлетворяет ли измеренное значение требованиям ПУЭ: для повторного заземления соединенного с ГЗШ и приходящей от ТП PE-жилой или броней силового кабеля, сопротивление не должно превышать 30 Ом.

В случае превышения нормативного значения сопротивления и при выявлении в ходе осмотра коррозии и разрушения горизонтального или вертикального электродов более чем на 50% необходимо предпринять меры по восстановлению, ремонту или модернизации контура заземления.

Опасность ударов молний

Молния ― это природное явление, сопровождаемое электрическим искровым разрядом, свечением канала этого разряда и громким взрывоподобным звуком (грозовыми раскатами). Во время этого явления электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую и звуковую.

Молнии происходят во время грозовой активности в атмосфере. Эти разряды бывают как между грозовыми облаками (внутриоблачные), так и между облаками и поверхностью земли (молнии облако-земля). По последним научным данным частота ударов молний на нашей планете составляет примерно 44 ± 5 раз в секунду. При этом 75 % всех молний внутриоблачные, а лишь 25 % ударяют по поверхности земли. Как правило, молния, бьющая в поверхность земли, поражает самое высокое здание или сооружение из всех близлежащих. Также на больших открытых площадях (поле, поляна, поверхность воды) они могут поражать одиноко стоящие строения, деревья или даже людей.

Главными опасными и разрушительными факторами этого явления являются температура, сила растекающегося тока и ударная волна. В канале прохождения молнии происходит нагревание воздуха и твёрдых тел до огромных температур (более 20000-30000 °С), величина силы тока достигает 10000-500000 А. Ударная волна возникает близко к каналу разряда и на небольших расстояниях может разрушать здания, сооружения, деревья, травмировать людей даже без поражения током.

Молниезащита

В процессе разряда молнии происходит мощный электромагнитный импульс. Этот импульс представляет собой возмущение электромагнитного поля с возникновением наведённых напряжений и токов в различных проводниках, элементах электрического и электронного оборудования. В результате его возникновения возможен выход из строя изоляции электрооборудования, трансформаторов, полупроводниковых приборов и электронных элементов. Основным способом защиты от электромагнитного импульса является экранирование. Также широкое распространение получили устройства защиты от импульсных перенапряжений УЗИП.

В энергетике защита от молний и их вторичных проявлений является важнейшей задачей, т.к. энергетическое оборудование: силовые трансформаторы, выключатели, оборудование ОРУ является весьма дорогостоящим и зачастую уникальным. Поломки или даже временный выход из строя оборудования высоковольтных подстанций может поставить под угрозу систему энергоснабжения целых городов, районов, а в случае с перебоями в работе ПС-750 кВ и выше могут быть нарушены перетоки мощности между АЭС, ГЭС и частями энергосистемы России.

Обратимся к ПУЭ:

Защита от грозовых перенапряжений РУ и ПС осуществляется:

  • от прямых ударов молнии — стержневыми и тросовыми молниеотводами;
  • от набегающих волн с отходящих линий — молниеотводами от прямых ударов молнии на определённой длине этих линий защитными аппаратами, устанавливаемыми на подходах и в РУ, к которым относятся разрядники вентильные (РВ), ограничители перенапряжений (ОПН), разрядники трубчатые (РТ) и защитные искровые промежутки (ИП).

ПУЭ, п.4.2.133

Молниезащита ― это комплекс технических мероприятий, направленных на минимизацию разрушительных негативных последствий воздействия молнии. Принцип действия устройств молниезащиты основан на том, что вероятность поражения молнией наземного объекта увеличивается с увеличением его высоты и с увеличением электропроводности грунта под этим объектом.

Система молниезащиты состоит из следующих элементов:

  • молниеотвод;
  • токоотвод;
  • заземляющее устройство.

Молниеотвод

Молниеотвод, молниеприёмник ― это устройство, которое непосредственно принимает на себя разряд молнии и выполняется обычно в виде стержня, натянутого троса или сетки.

Токоотвод

Токоотвод ― это устройство, проводящее энергию молнии, её разряд от молниеотвода к заземляющему устройству.

Заземляющее устройство

Заземляющее устройство ― это устройство, которое уводит разряд молнии в грунт через углублённые вертикальные электроды.

Проектирование молниезащиты

Существует несколько методик расчёта элементов защиты (электрических подстанций, зданий, сооружений) от ударов молнии.

Первая методика ― методика, разработанная профессором А.А. Акопяном, подтверждается большим количеством лабораторных исследований на моделях, проводившихся в 1936-1940 гг. В соответствии с данной методикой, зона защиты стержневых молниеотводов высотой до 60 метров представляет собой «шатёр». Объекты, находящиеся внутри его, защищены от ударов молнии с вероятностью P ≈ 0,999.

Для проектирования систем молниезащиты на сегодняшний день действует два нормативных документа: РД 34.21.122-87 «Инструкция по молниезащите зданий и сооружений» от 30.07.87 г. и CO 153—34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» от 30.06.03 г.

Данные нормативные документы не содержат однозначных указаний об обязательности защиты зданий от поражений молниями. Поэтому уровень надёжности защиты зданий и сооружений от поражений молниями определяется проектной организацией. При проектировании системы молниезащиты должны учитываться справочные характеристики интенсивности грозовой деятельности и грозопоражаемости зданий и сооружений в рассматриваемой этой местности.

Проверка систем молниезащиты зданий

Проверка систем молниезащиты выполняется с целью определения соответствия их проектной документации, НТД, а также качества монтажных работ.

Такие проверки выполняется со следующей периодичностью:

  • после их монтажа перед сдачей в эксплуатацию;
  • для зданий и сооружений I и II категории защиты ― не реже раза в год;
  • для зданий и сооружений III категории защиты ― не реже раз в 3 года;
  • проверка наличия цепи между заземлёнными установками и элементами заземлённой установки (металлосвязи) при наличии болтовых соединений ― ежегодно.

Все соединения элементов системы молниезащиты рекомендуется выполнять сварными. Сварочные работы относятся к огневым, т.е. к работам с применением открытого огня, искрообразованием и нагреванием поверхностей, предметов до температур, способных вызвать воспламенение материалов и конструкций. На взрывоопасных и взрывопожароопасных объектах при необходимости выполнить соединения молниеотводов с токопроводами, токопроводами с заземлителями, обычно рекомендуется делать это с использованием болтовых соединений.

Электролаборатория, имеющая свидетельство о регистрации в РосТехНадзоре, выполняет визуальный осмотр и измерения сопротивления металлосвязи, заземления с оформлением протоколов установленной формы.

Процесс проведения проверки систем молниезащиты состоит из нескольких этапов:

  • проверка молниезащиты на соответствие проекту и НТД;
  • визуальный осмотр состояния системы молниезащиты, целостности её элементов, отсутствия коррозии, качества болтовых соединений, при этом сварные соединения проверяются постукиванием молотка;
  • проверка металлосвязи; величина измеренного переходного сопротивления молниеотводов с токопроводами, токопроводами с заземлителями должна быть менее 0,05 Ом;

При приближении грозового фронта все работы по осмотру, обследованию и измерениям системы молниезащиты следует немедленно прекратить.

Для заземлителей устройств молниезащиты зданий и сооружений I и II категорий по молниезащите допустимая величина сопротивления ЗУ должна быть не более 10 Ом, а для зданий и сооружений III категорий по молниезащите ― не более 20 Ом.

РД 34.21.122-87, п. 8

Для железобетонных фундаментов-заземлителей (подножники, сваи) допустимая величина сопротивления не нормируется, т.к. они способны без механического разрушения выдерживать токи молнии до 100 кА; для этих фундаментов регламентируются только минимальные допустимые размеры (РД 34.21.122-87 табл. 2).

Итоговые данные измерений вносятся в протоколы проверки технического отчёта электролаборатории.